인공위성은 계속 떨어지는데 왜 지구에 부딪히지 않을까?

궤도에 오른 인공위성은 중력을 피해서 떠 있는 것이 아니라 지구를 향해 계속 자유낙하한다. 다만 옆으로 움직이는 속도가 충분히 커서, 위성이 떨어지는 동안 둥근 지표면도 같은 방향으로 아래로 휘어 멀어진다. 그래서 지면에 닿지 않고 지구 둘레를 반복해서 도는 경로가 궤도다.

중력이 없다면 위성은 그 순간의 진행 방향을 따라 직선으로 나아간다. 실제로는 지구가 위성을 중심 쪽으로 끌어당겨 속도의 방향을 조금씩 안쪽으로 바꾼다. 위성은 매 순간 앞쪽으로 가면서 동시에 아래로 떨어지고, 이 두 움직임이 합쳐져 곡선이 된다. 원에 가까운 궤도에서는 중력이 바로 원운동에 필요한 구심가속도를 제공한다.

옆 속도가 너무 작으면 곡선이 지표면과 만나 위성은 대기권으로 내려오거나 충돌한다. 충분한 속도를 주면 낙하 곡률이 지구의 곡률과 맞아 계속 빗나간다. 더 큰 속도에서는 더 넓은 타원 궤도로 올라갈 수 있고, 지구 중력을 완전히 벗어날 만큼 크면 닫힌 궤도를 떠난다. 같은 중심천체를 도는 원궤도라면 높은 궤도일수록 필요한 속도는 낮고 한 바퀴에 걸리는 시간은 길다. 단순히 높이 올리는 것만큼이나 알맞은 수평 속도를 만드는 일이 발사의 핵심인 이유다.

‘대기 밖에는 중력이 거의 없다’는 설명은 틀리다. 국제우주정거장이 도는 높이에서도 지구 중력은 지상보다 조금 약할 뿐 여전히 강하다. 우주비행사와 정거장, 안의 물건이 모두 같은 중력가속도로 함께 떨어지기 때문에 서로를 받치는 바닥의 힘이 거의 사라진다. 이 지속적인 자유낙하 상태가 미세중력이며, 중력이 사라진 상태와는 다르다.

위성이 궤도에 머무는 동안 엔진이 계속 아래쪽 중력을 밀어내는 것도 아니다. 공기 저항과 다른 교란이 없는 이상적인 궤도에서는 발사체가 만들어 준 속도로 관성 운동을 하고, 중력이 그 방향만 계속 굽힌다. 추진기는 궤도에 도달하거나 다른 궤도로 옮길 때, 자세를 바꿀 때, 실제 환경의 작은 손실을 보정할 때 작동한다. 안정된 궤도를 매초 떠받치는 받침대 역할은 하지 않는다.

모든 궤도가 완전한 원은 아니다. 타원 궤도에서는 위성과 지구 사이의 거리와 속도가 함께 변한다. 가까운 지점으로 내려갈 때 중력이 일을 해 위성은 빨라지고, 먼 지점으로 올라갈 때는 느려진다. 그래도 전체 경로 내내 자유낙하라는 점은 같다. 위성이 잠깐 중력에서 벗어났다가 다시 붙잡히는 것이 아니라, 중력 아래에서 교환되는 운동에너지와 위치에너지가 타원을 만든다.

정지궤도 위성도 하늘의 한 점에 물리적으로 매달려 있지 않다. 적도 위 약 3만 5,786킬로미터 높이에서 지구 자전과 같은 방향으로 한 항성일에 한 바퀴 돌면, 지상의 관측자에게 같은 경도 위에 머무는 것처럼 보인다. 그 높이에서도 중력이 궤도를 굽힌다. 공전 주기와 지구의 회전이 일치해 상대 위치가 고정되어 보일 뿐이다.

현실의 저궤도에는 ‘진공’이라고 부르기엔 희박하지만 무시할 수 없는 대기가 남아 있다. 위성이 공기 입자와 부딪히면 저항이 운동에너지를 빼앗아 궤도가 서서히 낮아진다. 낮아질수록 공기가 짙어져 감속이 더 빨라질 수 있으며, 끝내 재진입해 타거나 지상에 도달한다. 태양 활동이 상층 대기를 가열하고 부풀리면 같은 높이의 밀도가 달라져 궤도 수명 예측도 변한다.

그래서 국제우주정거장 같은 낮은 궤도의 우주선은 때때로 재부스트를 받아 잃은 에너지와 고도를 회복한다. 지구의 납작한 모양, 달과 태양의 인력, 태양복사압도 궤도면과 위치를 조금씩 흐트러뜨린다. 통신위성의 ‘스테이션키핑’은 이런 실제 교란을 허용 범위 안에서 고치는 작업이다. 이는 중력에 맞서 계속 정지하는 것과 전혀 다른 임무다.

뉴턴의 대포 사고실험은 이 원리를 직관적으로 보여 준다. 아주 높은 산에서 수평으로 대포알을 쏜다고 상상하면, 약한 발사는 가까운 땅에 떨어지고 더 빠른 발사는 더 멀리 간다. 공기와 산을 무시하고 충분히 빠르게 쏘면 대포알이 내려가는 만큼 지표가 휘어져 끝없이 지구를 빗나간다. 실제 발사체는 산 대신 여러 단 로켓으로 높이와 옆 속도를 함께 만든다.

인공위성을 ‘중력과 추진력이 균형을 이뤄 공중에 정지한 물체’로 그리면 궤도의 핵심을 놓친다. 위성은 앞으로 나아가려는 관성과 안쪽으로 속도를 꺾는 중력이 결합한 낙하 물체다. 공기 저항이 거의 없을 때는 그 빗나감이 오래 이어지고, 저항이나 다른 힘이 에너지를 바꾸면 궤도도 변한다. 궤도는 떨어지지 않는 상태가 아니라, 계속 떨어지면서 지구를 계속 놓치는 정교한 운동이다.